問1
★
ハロゲンの単体
ハロゲンの単体のうち、常温で液体のものはどれか。
- アF₂
- イCl₂
- ウBr₂
- エI₂
答えを見る
答えウ
F₂ と Cl₂ は気体、Br₂ は液体、I₂ は固体。
高校化学
Unit 11
ハロゲン・酸素・硫黄
Cl₂ の臭い・Br₂ の赤褐色・I₂ の昇華性…ハロゲンと酸素族元素の個性と重要反応を実際の分子構造とともに整理しよう。
🟡 ハロゲン🔴 酸素・オゾン🏭 硫酸の製造
🖱️ この単元の分子図はすべてPubChemの実データを3Dmol.jsで描画したものです。ドラッグで回転、スクロールで拡大縮小できます。
1
ハロゲン（17族）の性質と反応
プールの消毒に使われる塩素、うがい薬(イソジン)に含まれるヨウ素は、どちらも周期表の同じ縦の列(17族)に並ぶ「ハロゲン」という仲間の元素からできている。色も臭いも状態(気体・液体・固体)もバラバラだが、どれも「電子を1個受け取って安定になりたがる」という共通の性質を持つ。
ハロゲンは他の物質から電子を奪う力(酸化力)が強く、この力は周期表の上にある元素ほど強い。つまりF(フッ素)が最も強く、I(ヨウ素)が最も弱い。この力の差が、消毒・漂白といった実用的な使われ方の違いを生んでいる。
ハロゲン（17族：F, Cl, Br, I）は非金属元素で、最外殻に7個の電子をもち、電子を1つ受け取って1価の陰イオン（X⁻）になりやすい。酸化力は F > Cl > Br > I の順で、F₂ は最も強い酸化剤。
🧪 ハロゲン単体の実際の分子構造
Cl₂・黄緑色・気体
Br₂・赤褐色・液体
I₂・黒紫色・固体(昇華性)
図1:ハロゲン単体はいずれも二原子分子X₂(PubChem実データ)。原子番号が大きくなるほど分子量が増え、分子間力(ファンデルワールス力)が強くなるため、常温での状態がCl₂(気体)→Br₂(液体)→I₂(固体)へと変化する。
🧪 ハロゲン単体の比較
| 元素 | 常温の状態 | 色・臭い | 酸化力 | おもな用途・製法 |
|---|---|---|---|---|
| F₂（フッ素） | 気体 | 淡黄色・刺激臭 | 最も強い | フッ素樹脂（テフロン）・UF₆（核燃料処理） |
| Cl₂（塩素） | 気体 | 黄緑色・刺激臭 | 強い | 塩酸・漂白剤・殺菌剤；MnO₂+濃HCl で製造 |
| Br₂（臭素） | 液体 | 赤褐色・刺激臭 | 中程度 | 農薬・薬品合成原料 |
| I₂（ヨウ素） | 固体（昇華性） | 黒紫色・特異臭 | 弱い | ヨードチンキ・でんぷん検出（ヨウ素デンプン反応） |
⚗️ ハロゲンの重要反応
| 反応 | 反応式 |
|---|---|
| ハロゲン化水素の生成（塩化水素） | H₂ + Cl₂ → 2HCl |
| Cl₂ の水への溶解（次亜塩素酸生成） | Cl₂ + H₂O ⇌ HCl + HClO |
| Cl₂ の NaOH への反応（次亜塩素酸ナトリウムの生成） | Cl₂ + 2NaOH → NaCl + NaClO + H₂O |
| ハロゲン置換（Cl がBrを追い出す） | Cl₂ + 2KBr → 2KCl + Br₂ |
❌ よくある誤解
誤:Cl₂ + 2KBr → 2KCl + Br₂ の反応は、Clの方が原子番号が大きいから起こる
正:この置換反応が起こるのは、Cl₂の方がBr₂より酸化力(電子を奪う力)が強いためであり、原子番号の大小とは逆の関係(原子番号が小さいFやClほど酸化力が強い)
ハロゲンの酸化力はF>Cl>Br>Iの順(原子番号が小さいほど強い)。「大きい方が強い」という直感的な誤解に注意。
誤:I₂は固体だから分子間の結合(共有結合)が強い
正:I₂が固体なのは分子どうしを結びつける分子間力(ファンデルワールス力)が大きいからであり、分子内のI-I共有結合の強さとは別の話
固体・液体・気体という状態は「分子間力」の大きさで決まり、分子そのものの共有結合の強さとは独立した性質。
💡 なぜハロゲンの酸化力はF>Cl>Br>Iの順になるのか?
酸化力とは、他の物質から電子を奪う力の強さ。原子番号が小さいハロゲンほど原子半径が小さく、原子核から最外殻電子までの距離が近いため、新しく電子を引き込む力(実効的な引力)が強くなる。電子親和力そのものは塩素が最大だが、F₂ の結合が弱いことや F⁻ が水和されて安定になることなどが加わり、総合的にフッ素が最も強い酸化力を示す。
ハロゲン化銀(AgF, AgCl, AgBr, AgI)は水への溶解性が大きく異なり、AgFは水に溶けるがAgCl・AgBr・AgIは水に不溶(沈殿)という点が無機イオンの検出(単元15)で重要になる。また、フッ素だけは化合物中で常に酸化数−1をとり、他のハロゲンのように正の酸化数(例:塩素酸イオンClO₃⁻のCl は+5)をとらない例外的な元素である。大学範囲・入試頻出
🎯 入試での問われ方
ハロゲンの酸化力の強さを使った置換反応(Cl₂ + 2KBr → 2KCl + Br₂など)の生成物を判定させる問題や、ハロゲン化銀の沈殿の色(AgCl白・AgBr淡黄・AgI黄)と光に対する感光性(写真フィルムの原理)を問う問題が頻出。
2
酸素（16族）と硫黄の性質・反応
私たちが呼吸している酸素(O₂)と、上空のオゾン層を作るオゾン(O₃)は、同じ酸素原子だけでできているのに全く性質が違う(同素体)。オゾンは強い殺菌力・酸化力を持ち、独特の刺激臭がある。
硫黄は花火の材料やマッチにも使われる黄色い固体で、これも複数の同素体(斜方硫黄・単斜硫黄・ゴム状硫黄)を持つ。硫黄から作られる硫酸は「工業の母」と呼ばれるほど様々な製品作りに使われる重要な物質である。
酸素（O₂, O₃）と硫黄（S）は同じ16族。酸素は二重結合性分子、オゾン O₃ は強力な酸化剤。硫黄は斜方硫黄・単斜硫黄・ゴム状硫黄の同素体があり、硫黄から硫酸の工業的製法（接触法）が重要。
🧪 オゾンと環状硫黄分子(S₈)の実際の構造
O₃(オゾン)・折れ線形
S₈(環状硫黄分子)・王冠形
図2:オゾンO₃(折れ線形、O₂と同素体)と斜方硫黄・単斜硫黄を構成するS₈分子(8個のS原子が環状に結合した王冠形、PubChem実データ)。硫黄の同素体はいずれもこのS₈分子(またはSₙ鎖状分子)の集合状態の違いによって生じる。
🏭 硫酸の工業的製法（接触法）
| 工程 | 反応 | 条件 |
|---|---|---|
| ① S の燃焼 | S + O₂ → SO₂ | — |
| ② SO₃ への酸化 | 2SO₂ + O₂ ⇌ 2SO₃ | V₂O₅触媒, 約450°C |
| ③ 発煙硫酸の生成 | SO₃ + H₂SO₄(濃) → H₂S₂O₇ | SO₃ を水に直接溶かすと霧が生じるため |
| ④ 硫酸の希釈 | H₂S₂O₇ + H₂O → 2H₂SO₄ | — |
📋 硫酸 H₂SO₄ の性質まとめ
- 濃硫酸：不揮発性・吸湿性・脱水性・酸化性（熱時）；希釈するとき酸を水に注ぐ
- 希硫酸：強酸・酸化力なし；Zn や Fe を溶かして H₂ を発生
- 濃硫酸 + 濃硝酸 → 混酸（ニトロ化に使用）
❌ よくある誤解
誤:濃硫酸を薄めるときは水を濃硫酸に注げばよい
正:必ず「水に濃硫酸を少しずつ注ぐ」。逆に水を濃硫酸に注ぐと、濃硫酸の激しい発熱反応(希釈熱)により水が瞬間的に沸騰し、酸が飛び散って大変危険
「酸を水に」という順番を必ず守る。これは実験安全上、最も重要な原則の一つ。
誤:硫酸は常に強い酸化剤として働く
正:酸化剤として働くのは加熱した濃硫酸(熱濃硫酸)の場合のみ。希硫酸は酸化力を持たず、単なる強酸としてZnやFeと反応してH₂を発生する
「濃硫酸か希硫酸か」「常温か加熱か」で反応性が大きく変わる点に注意。同じ硫酸でも条件次第で全く違う反応をする。
💡 なぜ硫黄には複数の同素体があるのか?
硫黄原子は共有結合で環状(S₈)や鎖状(Sₙ)につながる性質を持つ。同じS₈分子でも、分子の並び方(結晶構造)が違うと斜方硫黄・単斜硫黄という異なる同素体になり、さらに高温で融解した硫黄を急冷すると、S₈の環が切れて鎖状につながったゴム状硫黄になる。原子のつながり方や集合の仕方の違いが、性質の異なる複数の同素体を生み出している。
接触法で使われるV₂O₅(五酸化バナジウム)触媒は、SO₂の酸化(2SO₂+O₂⇌2SO₃)の反応速度を上げるが、平衡自体は発熱反応であるため高温では平衡が不利になる(ルシャトリエの原理)。実際の工業プロセスでは、速度と平衡収率のバランスを取った約450℃という「中程度の温度」が採用されている点は、ハーバー・ボッシュ法(単元12)と共通する設計思想である。大学範囲・分野横断
🎯 入試での問われ方
接触法の各工程の反応式を順番に書かせる問題や、濃硫酸の実験室的性質(脱水作用でショ糖を炭化させるなど)を絡めた出題が頻出。工業的製法は化学平衡・反応速度の単元と関連づけて「なぜこの条件が選ばれるのか」を説明させる論述問題も見られる。
🎯 練習問題
まず自分で解いてから、「答えを見る」を押して確かめよう。
問2
★
ハロゲンの酸化力
ハロゲンの単体 F₂、Cl₂、Br₂、I₂ のうち、酸化力が最も強いものはどれか。化学式で答えよ。
答えを見る
答えF₂
酸化力は F₂ > Cl₂ > Br₂ > I₂ の順。
問3
★★
ハロゲンの反応
次の組み合わせのうち、混ぜると反応が起こるものはどれか。
- アCl₂ と KBr 水溶液
- イBr₂ と KCl 水溶液
- ウI₂ と KBr 水溶液
答えを見る
答えア
酸化力の強いハロゲンが、弱いハロゲンのイオンから電子を奪う。Cl₂ + 2KBr → 2KCl + Br₂。
問4
★★
接触法
硫酸の工業的製法（接触法）で、SO₂ を SO₃ に酸化するときに使う触媒は何か。化学式で答えよ。
答えを見る
答えV₂O₅
酸化バナジウム(V)。
問5
★★
接触法の量的関係
接触法では、硫黄 S 1 mol から硫酸 H₂SO₄ 1 mol が得られる。硫黄 16 g から得られる硫酸は、最大で何gか。原子量は S = 32、硫酸の分子量は98とする。
答えを見る
答え49 g
硫黄 16 g は 0.50 mol。0.50 × 98。
問6
★★★
接触法の量的関係
2SO₂ + O₂ → 2SO₃ の反応で、SO₂ 0.50 mol をすべて SO₃ にするのに必要な O₂ は何molか。有効数字2桁で答えよ。
答えを見る
答え0.25 mol
係数の比より SO₂：O₂ = 2：1。
✅ この単元のまとめ
- ハロゲン（F,Cl,Br,I）：酸化力 F>Cl>Br>I；F₂ 最強の酸化剤
- Cl₂ の製法：MnO₂ + 4HCl(濃) → MnCl₂ + Cl₂ + 2H₂O
- 次亜塩素酸 HClO：Cl₂ を水に溶かして生成；漂白・殺菌作用
- 硫黄の同素体：斜方硫黄・単斜硫黄・ゴム状硫黄（いずれもS₈またはSₙが基本単位）
- 接触法：S → SO₂ → SO₃ → 発煙硫酸 → H₂SO₄
- 濃硫酸：脱水性・吸湿性・酸化性（熱時）；希釈は「水に酸を」
理科専門塾 Chem Atlas Academy
調べる力を、得点力に変える塾。
中学・高校・高専生のための、完全オンライン理科専門塾。
授業はせず、月４回のオンライン解説で伴走します。
💡 内容の誤りやご意見はお気軽にどうぞ。
✉️ お問い合わせはこちら